高寒山區(qū)長大坡道鐵路列車下坡限速研究

任 沖

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

在長大坡道上，為充分保證列車運行安全，必須對列車的下坡限速進(jìn)行嚴(yán)格控制。現(xiàn)行TG/01A-2017《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(普速鐵路部分)(以下簡稱《技規(guī)》)第261條規(guī)定了0～20‰坡道的下坡限速，而對超過20‰的坡道，只規(guī)定其列車限速由鐵路局根據(jù)實際試驗確定[1]。西南山區(qū)鐵路線路多會采用24‰或30‰的加力坡，且受高寒山區(qū)氣候條件的影響，實際運營條件更惡劣，對列車的制動力影響較大，因此，有必要對高寒山區(qū)長大坡道列車下坡限速進(jìn)行研究。本文以高寒山區(qū)鐵路30‰長大坡道為例，結(jié)合TB/T 1407.1-2018《列車牽引計算》(以下簡稱《牽規(guī)》)，不考慮其他相關(guān)因素，理論計算貨物列車采用HXD2雙機(jī)牽引、最大牽引質(zhì)量 2 800 t，旅客列車采用HXD1d雙機(jī)牽引、最大牽引質(zhì)量 1 200 t情況下，研究列車粘著力與制動力的關(guān)系、空氣制動閘瓦溫升的影響等，得出不同制動距離對應(yīng)的下坡限速。為合理布置車站、計算區(qū)間通過能力提供依據(jù)，指導(dǎo)鐵路線路的設(shè)計工作，并給機(jī)車司機(jī)提出合理的駕駛及制動操縱方面的建議。

1 列車制動率的分析

1.1 粘著系數(shù)下降對列車制動率的影響

列車制動率的取值主要與粘著制動力或粘著制動系數(shù)有關(guān)。計算制動力不能超出粘著制動力的限制，因此，制動率的選取應(yīng)慎重。根據(jù)《牽規(guī)》，潮濕軌面下制動粘著系數(shù)大幅度下降。據(jù)此可算出不同粘著系數(shù)下粘著制動力的數(shù)值，以及給定制動率下制動力與粘著制動力的關(guān)系。文中的列車制動力采用實算法進(jìn)行計算。

《牽規(guī)》中由閘瓦壓力產(chǎn)生的列車制動力，計算方法有2種[6]。

(1)實算法。以列車中每種一塊閘瓦實算壓力K值之和與各該K值所對應(yīng)的實算摩擦系數(shù)φk的乘積總和來計算，見式(1)。

B=∑(φk×∑K)

(1)

(2)換算法。為了不涉及摩擦系數(shù)與閘瓦壓力的變化關(guān)系以簡化計算，用列車中閘瓦的換算閘瓦壓力之和∑Kh與該種閘瓦的換算摩察系數(shù)φh乘積進(jìn)行計算，見式(2)。

B=φh×∑Kh

(2)

按照現(xiàn)行《技規(guī)》的要求，貨物列車閘瓦壓力應(yīng)滿足1.50 kN/t(中磷閘瓦)，旅客列車閘瓦壓力應(yīng)滿足1.17 kN/t(高摩H合成閘瓦)。根據(jù)相關(guān)研究成果，不同摩擦材料換算閘瓦壓力的二次換算系數(shù)，如表1[2]所示。依據(jù)該系數(shù)，可對不同類型閘瓦情況下的列車制動力進(jìn)行計算。

表1 不同摩擦材料換算閘瓦壓力的換算系數(shù)

受氣候條件影響，在雨雪天氣，線路軌面粘著系數(shù)會有一定下降，有可能會有粘著制動力小于列車制動力，這時就可能出現(xiàn)制動時車輪抱死、列車滑動，無法控制列車速度的危險情況。因此，應(yīng)分析列車粘著制動力的變化情況。

(1)HXD2(25t)型電力機(jī)車在前述編組條件下，制動率采用0.35(根據(jù)1998年對寶成鐵路重車的調(diào)查結(jié)果，600 kPa時，列車換算制動率大部分為0.34～0.35[2])，考慮軌面潮濕條件下，不同速度的車列粘著制動力與計算制動力，如表2[3]所示。

表2 HXD2粘著制動力與計算制動力

由表2可以看出，在120 km/h速度范圍內(nèi)，無論是采用中磷閘瓦還是高磷閘瓦，車列的粘著制動力均高于計算制動力。另外，HXD2型機(jī)車的最大電制動力為510 kN，2臺機(jī)車為 1 020 kN，考慮電制動力后，仍不會超過粘著制動力。因此，HXD2雙機(jī)牽引 2 800 t貨物列車，制動率取0.35時在潮濕軌面條件下，采用中磷或高磷閘瓦，粘著系數(shù)的下降都不會對列車制動力產(chǎn)生影響。

(2)HXD1d型電力機(jī)車在前述編組條件下，根據(jù)式(1)和表1的換算系數(shù)進(jìn)行計算，制動率取0.42時，計算制動力與粘著制動力的比較，如表3所示。從表中可以看出，HXD1d雙機(jī)牽引 1 200 t旅客列車，在制動率取0.42的條件下，干燥軌面時，無論高摩合成閘片還是高摩合成閘瓦，列車制動力都沒有超過粘著制動力。即使考慮最大電制動力(420 kN)，也不會超過干燥軌面下的粘著制動力。但在潮濕軌面時，采用高摩合成閘瓦，160 km/h的計算制動力(1 049 kN)超出了粘著制動力(1 045.38 kN)，150 km/h及其以下速度的，計算制動力在粘著制動力范圍內(nèi)。若采用于高摩合成閘片，60～160 km/h的所有計算制動力均超過了粘著制動力。因此，應(yīng)適當(dāng)降低制動率。降低制動率后的計算制動力與粘著制動力，如表4所示。

表3 HXD1d粘著制動力與計算制動力的比較(制動率0.42)

表4 HXD1d粘著制動力與計算制動力(高摩合成閘瓦制動率0.4，高摩合成閘片制動率0.37)

由表4[4]可以看出，在潮濕軌面條件下，高摩合成閘瓦制動率采用0.40，高摩合成閘片制動率采用0.37時，160 km/h速度范圍內(nèi)列車的粘著制動力均高于計算制動力。因此，HXD1d牽引 1 200 t旅客列車，采用高摩合成閘瓦時，制動率宜控制在0.4及以下，采用高摩合成閘片時，制動率宜控制在0.37及以下。

1.2 制動周期對列車制動率的影響

列車在長大下坡道運行時，若考慮使用空氣制動，需要周期性進(jìn)行充風(fēng)緩解和排風(fēng)制動，直至列車駛出坡道。如果列車制動能力不夠，列車第一次制動后，需要一定的時間給副風(fēng)缸充風(fēng)，同時，實施制動后列車還有一個制動空走時間，如果列車經(jīng)過這兩個時間后，速度不超出制動限速，則列車可以通過周期制動控制速度。否則，列車速度可能超出制動限速，即使再采取制動，也可能失去控制。因此，在長大下坡道，列車制動能力必須保證在速度上升到制動限速之前的時間內(nèi)完成列車充風(fēng)和空走過程。列車編組、減壓量與列車充風(fēng)時間和空走時間關(guān)系，如表5所示。

表5 列車充風(fēng)時間與空走時間

根據(jù)表5推算，HXD2雙機(jī)牽引2 800 t，從20 km/h惰行到100 km/h消耗的時間，如表6所示。

表6 HXD2(25 t)惰行消耗時間

綜合表5、表6可以看出，列車速度10 km/h間隔內(nèi)消耗時間基本在10 s左右，30輛編組列車空走和充風(fēng)總時間為48.3 s，至少需要5個時間間隔，其最高限速不能低于50 km/h。如果列車制動率太低，或者摩擦系數(shù)有限，則無法滿足這一要求。由此可算出不同閘瓦和制動率下，HXD2雙機(jī)牽引 2 800 t貨車，在30‰坡道上滿足周期制動要求的最小制動率，如表7所示。

表7 HXD2(25 t)牽引2 800 t貨車周期制動要求

由表7可知，HXD2(25 t)牽引2 800 t貨車，在30‰坡道上進(jìn)行周期制動空氣制動時，中磷閘瓦和高磷閘瓦無法滿足要求。高摩合成閘瓦和高摩合成閘片可以滿足要求，但是制動率不少于0.35。對于采用了電空混合制動的和諧電力機(jī)車，由于電制動力只與列車速度有關(guān)，與閘瓦材質(zhì)無關(guān)，且不需要周期性充風(fēng)，因此，優(yōu)先推薦HXD2機(jī)車采用電制動。

對于HXD1d雙機(jī)牽引1 200 t客運列車，采用制動率0.4的高摩合成閘瓦或制動率0.37的高摩合成閘片，制動能力較HXD2(25 t)牽引2 800 t的能力強(qiáng)很多，故無需驗算。

綜上分析，HXD2雙機(jī)牽引 2 800 t貨運列車，HXD1d雙機(jī)牽引 1 200 t客運列車，要適應(yīng)30‰的長大下坡道和惡劣的氣候，合理的閘瓦與制動率選擇，如表8所示。

表8 列車編組和制動參數(shù)

2 列車下坡限速研究

2.1 列車緊急制動距離限值

緊急制動距離是列車在任何線路上均能制動停車的距離限值，是保證列車安全運行的基礎(chǔ)要求?！都家?guī)》中規(guī)定了各種列車的緊急制動距離，如表9所示[1]。

表9 列車最高運行速度的緊急制動距離限值

在規(guī)定的緊急制動距離內(nèi)，列車能夠制動停車的最高速度，稱為緊急制動限速。列車在30‰坡道上運行，因坡度過大，《技規(guī)》既有的列車緊急制動限速失效[5]，應(yīng)依據(jù)列車緊急制動距離確定限速。

2.2 列車緊急制動距離計算

一般情況下，制動距離可采用分段累加的方法進(jìn)行計算[6]。即采用“枚舉”的思路，分別計算列車在不同制動初速度下的緊急制動距離，得出列車緊急制動距離表[2]，再根據(jù)規(guī)定的緊急制動距離限值，試算列車在長大下坡道上的緊急制動初速度。根據(jù)表7列車編組和制動參數(shù)，可算出HXD2雙機(jī)牽引 2 800 t貨物列車，在30‰坡道上的緊急制動距離，如表10所示[6]。

表10 HXD2牽引2 800 t在30‰限坡上的緊急制動距離 (m)

同理可得HXD1d雙機(jī)牽引1 200 t旅客列車(采用高摩合成閘瓦，制動率取0.4；采用高摩合成閘片，制動率取0.37)，在30‰坡道上的緊急制動距離，如表11[6]所示。

2.3 列車下坡限速確定

從表10中可以看到，在30‰下坡道上，HXD2雙機(jī)牽引2 800 t貨物列車，保證800 m緊急制動距離，采用中磷閘瓦時速度不宜超過65 km/h，采用高磷閘瓦時速度不宜超過75 km/h；保證 1 400 m緊急制動距離，采用中磷閘瓦時速度不宜超過81 km/h，采用高磷閘瓦時速度不宜超過86 km/h。雖然和諧型貨運電力機(jī)車設(shè)計速度可達(dá)120 km/h，但考慮到高寒山區(qū)鐵路運輸?shù)陌踩?，以及目前貨車緊急制動距離一般按800 m控制實際情況，建議HXD2雙機(jī)牽引 2 800 t貨物列車，保證 800 m緊急制動距離下的限速為65 km/h。

表11 HXD1d牽引1 200 t在30‰限坡上的緊急制動距離 (m)

從表11中可以看到，在30‰下坡道上，HXD1d雙機(jī)牽引 1 200 t旅客列車，保證800 m的緊急制動距離，采用高摩合成閘瓦(制動率0.40)時速度不宜超過106 km/h，采用高摩合成閘片(制動率0.37)時速度不宜超過116 km/h；保證 1 400 m的緊急制動距離，采用高摩合成閘瓦(制動率0.40)時速度不宜超過141 km/h，采用高摩合成閘片(制動率0.37)時速度不宜超過143 km/h。由此可知，采用高摩合成閘瓦和高摩合成閘片的緊急制動距離相差不大，本文建議HXD1d雙機(jī)牽引 1 200 t旅客列車保證800 m緊急制動距離下的限速為110 km/h。

3 閘瓦溫升對貨物列車調(diào)速制動的影響

列車在長大下坡道上運行時，需不斷進(jìn)行調(diào)速制動，以免在下坡道上超過限速。多次循環(huán)調(diào)速制動后，車輪踏面和閘瓦溫度將不斷升高，會影響到行車安全。為保證行車安全，美國AAR規(guī)定：對于中磷鑄鐵閘瓦，車輪踏面溫度應(yīng)低于343 ℃。而對于高摩合成閘瓦和高摩合成閘片沒有限制[3]。因此，采用高摩合成閘瓦和高摩合成閘片的旅客列車，其下坡限速只由列車緊急制動距離決定，不存在閘瓦溫升問題。對于貨物列車來說，由緊急制動距離確定的下坡限速必須考慮閘瓦溫升的影響。

根據(jù)相關(guān)研究[7]，在30‰長大下坡道上，完全采用空氣制動，列車限速60 km/h時，在經(jīng)過8次周期性調(diào)速制動后，車輪踏面溫度為340 ℃，接近中磷鑄鐵閘瓦的限制溫度；限速75 km/h時，空氣制動時間延長，緩解時間縮短，經(jīng)過5次調(diào)速制動后，車輪踏面溫度達(dá)到380 ℃，超過中磷鑄鐵閘瓦的限制溫度。反之，若調(diào)速制動次數(shù)在5次以下，則閘瓦溫升不會影響行車安全。

計算HXD2雙機(jī)牽引2 800 t貨物列車，制動率取0.35，采用純空氣制動列車從80 km/h到10 km/h時緩解的單次制動調(diào)速情況。計算參數(shù)及結(jié)果如表12所示。

分析表12可以看出，在30‰長大下坡道上，限速80 km/h，一次調(diào)速制動走行距離為 6 395 m，若30‰的連續(xù)長下坡道不超過32 km，周期性連續(xù)制動不會超過5次，閘瓦溫升不會影響行車安全[6]。在30‰長大下坡道上，若限速75 km/h，在站間距不大于15 km的情況下，列車在區(qū)間運行需經(jīng)過3次調(diào)速制動，不會超過中磷鑄鐵閘瓦的限制溫度[8]。同理，若限速65 km/h時，當(dāng)站間距小于20 km時，HXD2雙機(jī)牽引2 800 t貨物列車，區(qū)間運行需進(jìn)行3次周期性調(diào)速制動，該過程中不會出現(xiàn)閘瓦溫升失控的情況。

表12 HXD2列車空氣閘瓦一次調(diào)速制動參數(shù)

從以上分析可知，閘瓦溫升與站間距和下坡限速密切相關(guān)，站間距越大，列車在區(qū)間運行所需調(diào)速制動周期越多；列車限速高，一次制動運行距離長，所需制動周期將相應(yīng)減少。綜合閘瓦溫升和列車緊急制動限值可以確定，對于30‰坡度，采用中磷閘瓦下坡運行速度宜控制在65 km/h及以下。

4 結(jié)論

(1)在30‰長大下坡道上，HXD2雙機(jī)牽引 2 800 t貨物列車，在緊急制動距離800 m條件下，列車下坡限速宜為65 km/h；

(2)在30‰長大下坡道上，HXD1d雙機(jī)牽引 1 200 t旅客列車，在緊急制動距離800 m條件下，列車下坡速度限速宜為110 km/h；

(3)在30‰長大下坡道上，HXD2雙機(jī)牽引 2 800 t貨物列車，宜多采用電制動力進(jìn)行列車調(diào)速制動，以盡量避免或緩解閘瓦溫升過高問題；旅客列車的下坡限速只由列車緊急制動距離決定，不存在閘瓦溫升問題。